Korkean suorituskyvyn lämpökameran käyttö tulipesämittauksissa

VI Liekkipäivä, Lappeenranta 26.1.2012 Sami Siikanen, VTT

OPTICAL MEASUREMENT TECHNOLOGIES TEAM

Kuopio, Technopolis

Key research area: Development of optical measurement technologies Customer segments:

Pulp and paper Pharmaceuticals

Environment, energy Wellness, biomedical

VTT's main location in Eastern Finland

Korkean suorituskyvyn lämpökameran ominaisuuksia

+ Suuri paikkaresoluutio + Suuri lämpötilaresoluutio

+ Suuri kuvankaappausnopeus + Suuri tiedonsiirtonopeus

+ Mahdollisuus käyttää erilaisia linssejä

+ Mahdollisuus käyttää erilaisia optisia suotimia - Korkea hinta

- Jäähdytetyt kennot lämpötilaresoluution parantamiseksi - > pitkä käynnistysaika

- > kohonnut vikaantumisherkkyys

Korkean suorituskyvyn lämpökamera Cedip Titanium

detektorimateriaali indiumantimonidi (InSb)

pikselimäärä 640x512

spektraalinen vaste 1.5-5.1 µm alaikkunointi, pikseliä 320x256

160x128

16x4

[käyttäjän määrittelemä]

kuvankaappausnopeus jopa 100 Hz @ 640x512

->

4980 Hz @ 16x4

pikselin koko 15 µm x 15 µm detektorin herkkyys (NETD) < 25 mK @ 25°C

(20 mK tyypillisesti)

apertuuri F/3

digivideoliikenneprotokolla Camera Link

suodinkiekko 4 paikkaa 1 tuuman suotimille

Tulipesämittaukset lämpökuvauksella

 Normaalikäyttöön tarkoitettu lämpökamera ei ”näe” liekkien läpi.

 Cedip Titanium –lämpökameralla nähdään liekkien läpi, kun sen suodinkiekkoon detektorin ja linssin väliin asennetaan erityinen liekkisuodin.

 Liekkisuodin on optinen kaistanpäästösuodin, jonka keskiaallonpituus on noin 3,5 – 4,1 µm.

 Kameralla voidaan sen jälkeen tutkia tulipesiä palamisprosessin ollessa käynnissä.

 Lämpökuvaus on kohdetta koskettamaton mittaus, joten se ei häiritse prosessia.

Tulipesän sisäpintojen havainnointi

 Tulipesän sisäpinnoista

voidaan saada suhteellisia (ei absoluuttisia)

pintalämpötilalukemia.

 Lämpökuvauksella voidaan löytää mahdolliset

ongelmakohdat rakenteissa nopeasti.

 Pintoja mitattaessa kameran kuvankaappausnopeus on oltava pieni, että lentävät

partikkelit saadaan eliminoitua

pois kuvasta. Kuva: sellutehtaan soodakattilan sisäseinä.

 Tulipesässä lentävien

partikkelien nopeutta, suuntaa, kokoja ja muotoja voidaan

tutkia korkean suorituskyvyn lämpökameralla.

 Tällöin

kuvankaappausnopeuden on oltava niin suuri, että partikkelit saadaan kuvattua

’liikkumattomina’

pysäytyskuvassa.

 Kuvankaappausnopeutta nostettaessa tulipesän

seinämien näkyvyys yleensä

menetetään. Kuvat: sellutehtaan soodakattilassa lentäviä lipeäpartikkeleita.

Hyperspektraalinen kuvantaminen

•Hyperspektraalinen kuvantaminen on spektroskopian haara, jossa spektraalista informaatiota kerätään kuvatason

jokaisesta pisteestä.

•Hyperspektraaliset anturit tallentavat informaation joukoksi kuvia (’images’).

•Jokainen kuva edustaa tiettyä kaistaa (’spectral band’) sähkömagneettisesta spektristä.

•Kuvat yhdistämällä saadaan

kolmiulotteinen ”hyperspektraalinen kuutio”

datankäsittelyä ja analyysejä varten.

Kuva: Esimerkki

hyperspektraalisesta kuutiosta.

[2007 Grahn, Geladi ]

Aineiden tunnistaminen hyperspektraalisella kuvantamisella

 Cedip Titanium –lämpökameraan voidaan kiinnittää erityinen

spektrograafioptiikka, jonka avulla voidaan tehdä hyperspektraalista kuvantamista.

 Spektrograafioptiikka muuttaa kameradetektorin pystyakselin aallonpituusakseliksi.

 Vaaka-akseli jää spatiaaliakseliksi eli mittausviivaksi.

 Kohdetta liikuttamalla

(viivaskannaus) saadaan aikaan

hyperspektraalinen kuutio. Kuva: metaanin polton

hyperspektraalista kuvantamista.

Aineiden tunnistaminen hyperspektraalisella kuvantamisella

 Poltettavat aineet voidaan

tunnistaa hyperspektraalisesta kuutiosta niiden spektraalisten emissiopiikkien perusteella.

 Liekin ja kameran välisen ilman absorptio (esim. hiilidioksidi) häiritsee mittausta.

 Myös itse palamisprosessissa tapahtuu sekä emissiota että absorptiota, mikä häiritsee lopputuloksen tulkintaa.

metaanin emissiospektrit eri polttoparametreillä

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000

3000 3200 3400 3600 3800 4000 4200 4400 4600 4800 5000

aallonpituus, nm

emission intensiteetti, satunnaisyksikköä

met108_ilma1090 met143_ilma1065 met178_ilma1010 met218_ilma1020

Kuva: metaanin polton tuottamia

emissiospektrejä eri polttoparametreilla.

Päästöjen tutkiminen ja spektrikuvaus

 Yhtenä tutkimusideana on ollut myös selvittää, onko

tulipesäspektrin ja perinteisten päästömittausten välillä

korrelaatiota.

 Alustavia mittauksia on tehty pellettipolttimesta kahdella

spektrikameralla, joista toinen oli lähi-infrapuna-alueella

(aallonpituus 1.0-2.5 µm), mutta

tuloksia ei ole vielä käsitelty. Kuva: pellettipolttimesta otettuja spektrikuvia lähi-infrapuna-alueella (vas.) ja keski-infrapuna-alueella (oik.).

Tietoa muista tulipesien lämpökameroista

 FLIR GF309 on teollisuuden tulipesäkuvauksiin suunniteltu kaupallinen erikoislämpökamera.

 Siinä on sisäänrakennettuna keskiaallonpituusalueen

liekkisuodin.

 Kameralla saadaan

lämpötilalukemia kaikkialta tulipesästä turvallisesti ja vikakohdat voidaan havaita ajoissa.

 FLIR GF-sarjan lämpökameroiden lämpökuvat voidaan tallentaa mille tahansa kaupalliselle

videotallentimelle.

Kuva: FLIR GF309 tulipesien lämpökamera [www.flir.com]

VTT - 70 vuotta

teknologiaa yhteiskunnan ja

elinkeinoelämän hyväksi